Python - 抽象基类

Python 中的抽象基类 (ABC) 是一个不能直接实例化的类，它旨在被子类化。ABC 通过提供所有子类都必须实现的公共接口，作为其他类的蓝图。

它们是 Python 面向对象编程的一个基本部分，使开发人员能够为一组相关的类定义和强制执行一致的 API。

抽象基类的用途

以下是Python 抽象基类 的用途和功能的深入探讨：

定义标准接口

抽象基类 (ABC) 允许我们为其他类定义蓝图。此蓝图确保任何从抽象基类 (ABC) 派生的类都通过提供一致的接口来实现某些方法。

以下是 Python 中定义抽象基类标准接口的示例代码：

from abc import ABC, abstractmethod

class Shape(ABC):
   @abstractmethod
   def area(self):
      pass

   @abstractmethod
   def perimeter(self):
      pass

强制实现

当一个类继承自抽象基类 (ABC) 时，它必须实现所有抽象方法。如果它没有实现，Python 将引发 TypeError。以下是 Python 中强制实现抽象基类的示例：

class Rectangle(Shape):
   def __init__(self, width, height):
      self.width = width
      self.height = height

   def area(self):
      return self.width * self.height

   def perimeter(self):
      return 2 * (self.width + self.height)

# This will work
rect = Rectangle(5, 10)

# This will raise TypeError
class IncompleteShape(Shape):
   pass

为未来的开发提供模板

在多个开发人员可能处理代码库不同部分的大型项目中，抽象基类 (ABC) 非常有用。它们为开发人员提供了一个清晰的模板供遵循，从而确保一致性并减少错误。

促进多态性

抽象基类 (ABC) 通过支持开发能够操作来自不同类的对象的代码来实现多态性，只要这些对象符合特定的接口即可。此功能简化了代码的扩展和维护。

以下是 Python 抽象基类中促进多态性的示例：

def print_shape_info(shape: Shape):
   print(f"Area: {shape.area()}")
   print(f"Perimeter: {shape.perimeter()}")

square = Rectangle(4, 4)
print_shape_info(square)

注意：要执行上述示例代码，需要定义标准接口并强制实现。

抽象基类的组成部分

Python 中的抽象基类 (ABC) 包含几个关键组件，使它们能够定义和强制执行子类的接口。

这些组件包括 ABC 类、abstractmethod 装饰器以及其他一些有助于创建和管理抽象基类的组件。以下是抽象基类的关键组件：

ABC 类：此类来自 Python 的抽象基类 (ABC) 模块，是创建抽象基类的基础。任何从 ABC 派生的类都被认为是抽象基类。
'abstractmethod' 装饰器：此装饰器来自 abc 模块，用于将方法声明为抽象方法。这些方法在 ABC 中没有实现，必须在派生类中被重写。
'ABCMeta' 元类：这是 ABC 使用的元类。它负责跟踪哪些方法是抽象的，并确保如果任何抽象方法未实现，则无法创建抽象基类的实例。
ABC 中的具体方法：抽象基类也可以定义提供默认实现的具体方法。这些方法可以被子类使用或重写。
实例化限制：ABC 的一个关键特性是，如果它们有任何抽象方法，则不能直接实例化它们。尝试实例化具有未实现抽象方法的 ABC 将引发 'TypeError'。
子类验证：抽象基类 (ABC) 可以使用 issubclass 函数验证给定的类是否为子类，并可以使用 isinstance 函数检查实例。

Python 中抽象基类的示例

以下示例展示了 ABC 如何强制执行方法实现、支持多态性并为相关的类提供清晰一致的接口：

from abc import ABC, abstractmethod

class Shape(ABC):
   @abstractmethod
   def area(self):
      pass

   @abstractmethod
   def perimeter(self):
      pass

   def description(self):
      return "I am a shape."

class Rectangle(Shape):
   def __init__(self, width, height):
      self.width = width
      self.height = height

   def area(self):
      return self.width * self.height

   def perimeter(self):
      return 2 * (self.width + self.height)

class Circle(Shape):
   def __init__(self, radius):
      self.radius = radius

   def area(self):
      import math
      return math.pi * self.radius ** 2

   def perimeter(self):
      import math
      return 2 * math.pi * self.radius

def print_shape_info(shape):
   print(shape.description())
   print(f"Area: {shape.area()}")
   print(f"Perimeter: {shape.perimeter()}")

shapes = [Rectangle(5, 10), Circle(7)]

for shape in shapes:
   print_shape_info(shape)
   print("-" * 20)

class IncompleteShape(Shape):
   pass

try:
   incomplete_shape = IncompleteShape()
except TypeError as e:
   print(e)

输出

执行上述代码后，我们将得到以下输出：

I am a shape.
Area: 50
Perimeter: 30
--------------------
I am a shape.
Area: 153.93804002589985
Perimeter: 43.982297150257104
--------------------
Can't instantiate abstract class IncompleteShape with abstract methods area, perimeter

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